Ovaj proces je dobio ime po istaknutom poljskom naučniku i građaninu Ruskog carstva, Janu Čohralskom, koji ga je izmislio davne 1915. godine. Otkriće se dogodilo slučajno, iako Czochralskijevo zanimanje za kristale, naravno, nije bilo slučajno, jer je vrlo blisko proučavao geologiju.
Prijava
Možda najvažnije područje primjene ove metode je industrija, posebno teška industrija. U industriji se još uvijek koristi za umjetnu kristalizaciju metala i drugih tvari, što se ne može postići na drugi način. U tom smislu, metoda je dokazala svoju gotovo apsolutnu bez alternativnost i svestranost.
Silikon
Monokristalni silicijum - mono-Si. Ima i drugo ime. Silicijum uzgojen metodom Czochralskog - Cz-Si. To je Czochralski silicijum. To je glavni materijal u proizvodnji integrisanih kola koja se koriste u računarima, televizorima, mobilnim telefonima i svim vrstama elektronske opreme i poluprovodničkih uređaja. kristali silicijumase također koriste u velikim količinama u fotonaponskoj industriji za proizvodnju konvencionalnih mono-Si solarnih ćelija. Gotovo savršena kristalna struktura daje silicijumu najveću efikasnost konverzije svjetlosti u električnu energiju.
Topljenje
Poluprovodnički silicijum visoke čistoće (samo nekoliko delova na milion nečistoća) se topi u lončiću na 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), obično napravljen od kvarca. Atomi dopantnih nečistoća kao što su bor ili fosfor mogu se dodati rastopljenom silicijumu u preciznim količinama za dopiranje, čime se mijenja u p- ili n-tip silicijuma s različitim elektronskim svojstvima. Precizno orijentisan kristal seme štapa je uronjen u rastopljeni silicijum. Stabljika sjemenog kristala polako se podiže i rotira u isto vrijeme. Kroz preciznu kontrolu gradijenata temperature, brzine izvlačenja i brzine rotacije, velika gredica od jednog kristala može se ukloniti iz taline. Pojava nepoželjnih nestabilnosti u talini može se izbjeći ispitivanjem i vizualizacijom polja temperature i brzine. Ovaj proces se obično izvodi u inertnoj atmosferi kao što je argon, u inertnoj komori kao što je kvarc.
Industrijske suptilnosti
Zbog efektivnosti opštih karakteristika kristala, industrija poluprovodnika koristi kristale standardizovanih veličina. U ranim danima, njihove kugle su bile manje, samo nekoliko inčaširina. Uz naprednu tehnologiju, proizvođači uređaja visokog kvaliteta koriste ploče prečnika 200 mm i 300 mm. Širina se kontroliše preciznom kontrolom temperature, brzinom rotacije i brzinom uklanjanja držača semena. Kristalni ingoti iz kojih se izrezuju ove ploče mogu biti dugi i do 2 metra i teški nekoliko stotina kilograma. Veće pločice omogućavaju bolju efikasnost proizvodnje jer se na svakoj pločici može napraviti više čipova, tako da je stabilan pogon povećao veličinu silikonskih pločica. Sljedeća stepenica naviše, 450 mm, trenutno je planirana za uvođenje 2018. Silikonske pločice su obično debljine oko 0,2-0,75 mm i mogu se polirati do velike ravnine kako bi se stvorila integrirana kola ili tekstura za stvaranje solarnih ćelija.
Grijanje
Proces počinje kada se komora zagreje na oko 1500 stepeni Celzijusa, topi silicijum. Kada se silicijum potpuno otopi, mali kristal za sjeme postavljen na kraju rotirajuće osovine polako se spušta dok se ne nađe ispod površine rastopljenog silicija. Osovina se okreće suprotno od kazaljke na satu, a lončić se okreće u smjeru kazaljke na satu. Rotirajuća šipka se zatim vrlo polako povlači prema gore - oko 25 mm na sat u proizvodnji kristala rubina - kako bi se formirala otprilike cilindrična bula. Kugla može biti od jednog do dva metra, u zavisnosti od količine silicijuma u lončiću.
Električna provodljivost
Električne karakteristike silicijuma se podešavaju dodavanjem materijala kao što je fosfor ili bor pre njegovog topljenja. Dodati materijal se naziva dopant, a proces se naziva doping. Ova metoda se takođe koristi sa poluprovodničkim materijalima koji nisu silicijum, kao što je galijum arsenid.
Karakteristike i prednosti
Kada se silicijum uzgaja metodom Czochralskog, talina se nalazi u silicijumskom lončiću. Tokom rasta, zidovi lončića se otapaju u talini, a nastala supstanca sadrži kiseonik u tipičnoj koncentraciji od 1018 cm-3. Nečistoće kiseonika mogu imati korisne ili štetne efekte. Pažljivo odabrani uslovi žarenja mogu dovesti do stvaranja naslaga kiseonika. Oni utiču na hvatanje neželjenih nečistoća prelaznih metala u procesu poznatom kao dobijanje, poboljšavajući čistoću okolnog silicijuma. Međutim, formiranje naslaga kisika na nenamjernim mjestima također može uništiti električne strukture. Osim toga, nečistoće kisika mogu poboljšati mehaničku čvrstoću silikonskih pločica imobilizacijom svih dislokacija koje se mogu uvesti tokom obrade uređaja. Tokom 1990-ih, eksperimentalno je pokazano da je visoka koncentracija kiseonika takođe korisna za radijacionu tvrdoću detektora silicijumskih čestica koji se koriste u okruženjima sa oštrim zračenjem (kao što su CERN-ovi LHC/HL-LHC projekti). Stoga se detektori silikonskog zračenja uzgojenog u Czochralskom smatraju obećavajućim kandidatima za mnoge buduće primjene.eksperimenti u fizici visokih energija. Takođe je pokazano da prisustvo kiseonika u silicijumu povećava apsorpciju nečistoća u procesu postimplantacionog žarenja.
Problemi s reakcijom
Međutim, nečistoće kiseonika mogu reagovati sa borom u osvetljenom okruženju. To dovodi do stvaranja električno aktivnog kompleksa bor-kiseonik, što smanjuje efikasnost ćelija. Izlaz modula opada za otprilike 3% tokom prvih nekoliko sati osvjetljenja.
Koncentracija čvrstih kristalnih nečistoća koja nastaje zamrzavanjem zapremine može se dobiti uzimanjem u obzir koeficijenta segregacije.
Uzgoj kristala
Rast kristala je proces u kojem već postojeći kristal postaje veći kako se povećava broj molekula ili jona na njihovim pozicijama u kristalnoj rešetki, ili se otopina pretvara u kristal i dalje se razvija. Metoda Czochralskog je jedan od oblika ovog procesa. Kristal se definira kao atomi, molekuli ili ioni raspoređeni u uređenom, ponavljajućem uzorku, kristalnoj rešetki koja se proteže kroz sve tri prostorne dimenzije. Dakle, rast kristala se razlikuje od rasta kapljice tekućine po tome što tokom rasta molekuli ili ioni moraju pasti u ispravne položaje rešetke da bi uređeni kristal rastao. Ovo je veoma zanimljiv proces koji je nauci dao mnoga zanimljiva otkrića, kao što je elektronska formula germanijuma.
Proces uzgoja kristala odvija se zahvaljujući posebnim uređajima - tikvicama i rešetkama, u kojima se odvija glavni dio procesa kristalizacije neke supstance. Ovi uređaji postoje u velikom broju u skoro svakom preduzeću koje radi sa metalima, mineralima i drugim sličnim materijama. Tokom procesa rada sa kristalima u proizvodnji, napravljena su mnoga važna otkrića (npr. gore pomenuta elektronska formula germanijuma).
Zaključak
Metoda kojoj je posvećen ovaj članak odigrala je veliku ulogu u istoriji moderne industrijske proizvodnje. Zahvaljujući njemu, ljudi su konačno naučili kako stvoriti punopravne kristale silicija i mnogih drugih tvari. Prvo u laboratorijskim uslovima, a zatim iu industrijskim razmerama. Metoda uzgoja monokristala, koju je otkrio veliki poljski naučnik, još uvijek se široko koristi.
